水輪機(jī)水壓脈動(dòng)水輪機(jī)水壓脈動(dòng)的成因

按其產(chǎn)生的原因，可分為尾水管渦帶、葉柵繞流，卡門渦、迷宮環(huán)間隙變動(dòng)、蝸殼或?qū)~引水不均勻以及頂蓋至尾水管的水力諧振等 。

(1)尾水管渦帶引起的水壓脈動(dòng)。由于水輪機(jī)運(yùn)行偏離設(shè)計(jì)工況，尤其在低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域，轉(zhuǎn)輪出口水流不是法向，水流的旋轉(zhuǎn)引起強(qiáng)烈的漩渦流動(dòng)而形成螺旋形的帶狀，稱為渦帶。從轉(zhuǎn)輪出口一直延伸到尾水管時(shí)管底部，其形態(tài)隨毛況的變化而變化，并以0.2~0.5倍機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的頻率，按機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向圍繞尾水管中心旋轉(zhuǎn)，引起周期性的壓力變化。

（2)轉(zhuǎn)輪葉柵繞流弓}起的水壓脈動(dòng)。兩相鄰葉片間間隙及其進(jìn)、出水口的流速和壓力的不均勻分布，使轉(zhuǎn)輪的上、下游水流產(chǎn)生擾動(dòng)形成壓力脈動(dòng)。其幅值隨轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的減少或機(jī)組過流量的增加而增強(qiáng)，其瀕率為葉片數(shù)與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的乘積，且衰減較快。另外，在偏離最優(yōu)工況后的小負(fù)荷區(qū)時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)、出口的水流沖擊和脫流所引起的水壓脈動(dòng)，其幅值和頻率的變化都是隨機(jī)性的，都可能引起葉片的共振。 (3)卡門渦引起的水壓脈動(dòng)。恒定流束繞過物體時(shí)，在其后面的兩側(cè)出現(xiàn)漩渦，形成旋轉(zhuǎn)方向相反、有規(guī)則交錯(cuò)排列的線渦，進(jìn)而互相干擾、互相吸引形成非線性的渦列，俗稱卡門渦。在水輪機(jī)固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片等的出水邊常產(chǎn)生卡門渦現(xiàn)象，當(dāng)其出現(xiàn)頻率接近于轉(zhuǎn)動(dòng)體的固有頻率時(shí)，將產(chǎn)生共振并伴有較強(qiáng)的且頻率比較單一的噪聲和金屬共鳴聲。

(4)迷宮環(huán)間隙不勻引起的水壓脈動(dòng)。由于迷宮環(huán)動(dòng)、靜部分的偏心，使迷宮環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)部分和固定部分之間的間隙出現(xiàn)周期性的變化，其中將產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)不均勻或中心不成對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)壓力場(chǎng)，而形成壓力脈動(dòng)。 (5)蝸殼或?qū)~引水不勻引起的水壓脈動(dòng)。由于加工和安裝誤差，使導(dǎo)水葉葉片、流道的形狀與尺寸差別較大時(shí)，對(duì)水流將產(chǎn)生擾動(dòng)，擾動(dòng)水流在進(jìn)入轉(zhuǎn)輪區(qū)時(shí)，就會(huì)與轉(zhuǎn)輪發(fā)生沖擊而引起壓力脈動(dòng)。在空載或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)均能使機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。

（6)頂蓋至尾水管的水力諧振。經(jīng)過轉(zhuǎn)輪上、下迷宮止漏裝置漏入尾水針的水流，在一定水頭和導(dǎo)水葉開度下將產(chǎn)生水力諧振而出現(xiàn)強(qiáng)水壓脈動(dòng)，引起頂蓋和機(jī)組承重支架隨機(jī)性的軸向高頻振動(dòng)和噪聲。

(7)運(yùn)行工況劣化所引起的水壓脈動(dòng)。如機(jī)組在高區(qū)運(yùn)行，以及水輪機(jī)、水泵的起動(dòng)、甩負(fù)荷、斷電及飛逸等過渡工況運(yùn)行時(shí)，其水壓脈動(dòng)的幅值比穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)有顯著增大。發(fā)電機(jī)的功率擺動(dòng)亦將引起隨機(jī)性的水壓脈動(dòng)。

水輪機(jī)水壓脈動(dòng)是指水輪機(jī)過流通道中 ，水流壓力圍繞其平均值作交替性的隨機(jī)變化。它是使水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因之一，這類振動(dòng)常具有隨機(jī)性，且與水輪機(jī)的運(yùn)行工況有關(guān)，尤其當(dāng)混流式或軸流定槳式水輪機(jī)在遠(yuǎn)離最優(yōu)工況的高水頭、低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)，尾水管內(nèi)渦帶引起的低頻水壓脈動(dòng)，將浮致機(jī)組不能穩(wěn)定運(yùn)行，甚至使轉(zhuǎn)輪遭到破壞，激起電站水工建筑物的振蕩等。

為掌握水壓脈動(dòng)的規(guī)律，并分析它們對(duì)機(jī)組振動(dòng)的具體影響，需選擇適當(dāng)?shù)膲毫Ρ砘驂毫鞲衅?，目前廣泛應(yīng)用的是壓阻式傳感器，它的靈敏度很高，無需放大器，其愉出可直接進(jìn)行記錄。用示波器或磁帶記錄儀記錄測(cè)點(diǎn)信號(hào)隨時(shí)間而變化的波形，并分析計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)隨工況變化的振幅與頻率 。

由于不同原因引起的水壓脈動(dòng)的位置分布不同，因此測(cè)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)選擇在最能代表該種水壓脈動(dòng)特性的位置上，并均以流道壁面上的測(cè)量結(jié)果為依據(jù)，以便對(duì)比分析。例如。測(cè)尾水管渦帶水壓脈動(dòng)時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)在尾水管直錐段進(jìn)口以下0.4~0.5倍轉(zhuǎn)輪直徑處的管壁上;分析葉柵繞流或卡門渦引起的水壓脈動(dòng)時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)在轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口處。分析迷宮止水裝置中的水壓脈動(dòng)時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)在其高度的中部或進(jìn)、出口處，分析發(fā)電機(jī)功率擺動(dòng)時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在壓力鋼管末端或蝸殼進(jìn)口處。可按試驗(yàn)任務(wù)和現(xiàn)場(chǎng)具體施測(cè)條件取舍。

對(duì)運(yùn)行機(jī)組而言，改造其水下部件的結(jié)構(gòu)將受到限制，可通過分析原型試驗(yàn)結(jié)果以了解水壓脈動(dòng)特性再采取針對(duì)性措施 。

①避開不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，優(yōu)選運(yùn)行工況。

②在轉(zhuǎn)輪上、下采取一些穩(wěn)定水流的措施，如在轉(zhuǎn)輪出口附近沿尾水管直錐段周圍管壁上裝設(shè)用以削弱尾水管內(nèi)水流的圓周分量、破壞渦帶的形成和發(fā)展的裝置。

③向頂蓋下方空腔補(bǔ)氣，可利用大軸中心孔或尾水管中心補(bǔ)氣裝置進(jìn)行自然補(bǔ)氣或強(qiáng)迫補(bǔ)氣，以減小渦帶在尾水管斷面上的偏心矩。

④通過配重處理或適當(dāng)調(diào)整軸瓦間隙，以減小轉(zhuǎn)動(dòng)部分的運(yùn)行擺度。

⑤減薄轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的厚度及改變其形狀，以改變卡門渦的頗率?；蛟谵D(zhuǎn)輪葉片間加支撐以改變?nèi)~片的固有頻率，以免發(fā)生共振。

水壓脈動(dòng)的危害性已越來越受到人們的重視·然而實(shí)際測(cè)量中水壓脈動(dòng)頻率非常低如劉家峽水電廠碧口水電廠機(jī)組在小開度和中開度振區(qū)由于低頻水壓脈動(dòng)的作用使機(jī)組產(chǎn)生了

中文名稱: 水壓脈動(dòng) 英文名稱: water pressure pulsation 其他名稱: 壓力脈動(dòng) 定義: 水流在水輪機(jī)流道中因紊動(dòng)、旋渦

壓力脈動(dòng)常規(guī)壓力脈動(dòng)

(1)常規(guī)壓力脈動(dòng)是混流式水輪機(jī)正常運(yùn)行情況下產(chǎn)生的，只要水輪機(jī)在一定的工況下運(yùn)行，相應(yīng)的常規(guī)壓力脈動(dòng)就必然產(chǎn)生。

(2)每個(gè)導(dǎo)葉開度區(qū)的常規(guī)壓力脈動(dòng)都有其一定的特征和規(guī)律，而且所有混流式水輪機(jī)都具有基本相同的特征和變化規(guī)律。

(3)渦帶壓力脈動(dòng)是常規(guī)壓力脈動(dòng)中最重要的一個(gè)，它對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的影響需要進(jìn)行具體分析。

(4)常規(guī)壓力脈動(dòng)的幅值隨工況參數(shù)的變化是漸變式的，不會(huì)發(fā)生突然的變化。

(5)水輪機(jī)中的其他壓力脈動(dòng)雖然并不代表水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性，但可能會(huì)對(duì)機(jī)組的振動(dòng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

壓力脈動(dòng)異常壓力脈動(dòng)

1、異常壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的充分條件

異常壓力脈動(dòng)是水體或水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的。異常壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的充分條件是：①一定的工況條件；②尾水管水、氣聯(lián)合體的固有頻率與尾水管同步壓力脈動(dòng)頻率一致。

在不同工況下，兩種頻率具有不同的組合關(guān)系；而在不同的組合關(guān)系下，就可能產(chǎn)生不同的異常壓力脈動(dòng)。組合關(guān)系的產(chǎn)生和特性則間接反映水輪機(jī)特征參數(shù)選擇和轉(zhuǎn)輪水力與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平和取向。

2、尾水管水、氣聯(lián)合體是最重要的共振體

在水電站和水輪機(jī)中，主要的共振水體有3處：引水管路水體、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間無葉區(qū)環(huán)形水體和尾水管水、氣聯(lián)合體。其中，引水管路水體共振和無葉區(qū)環(huán)形水體共振不反映或不完全反映水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性。因此，尾水管中的水、氣聯(lián)合體是水輪機(jī)中最重要的共振體。已知的高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)、低部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)、渦帶頻率的異常壓力脈動(dòng)等，都是它共振的結(jié)果。此外，在偏離最優(yōu)工況的各種水輪機(jī)工況下，還有產(chǎn)生其他尾水管水、氣聯(lián)合體其振的可能性。

3、異常壓力脈動(dòng)的幅值

各種由水體共振產(chǎn)生的異常壓力脈動(dòng)幅值的巨大區(qū)別，基本原因在于共振水體振動(dòng)特性的差別。

單一水體共振產(chǎn)生的異常壓力脈動(dòng)幅值最大，這是由于共振水體在常壓下具有不可壓縮和阻尼比較小的原因。

尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的異常壓力脈動(dòng)最大幅值比單一水體小，與尾水管中氣體空腔的體積有關(guān)；體積越大，空腔的吸收緩沖作用越大，最大值越小，反之亦然。在模型水輪機(jī)中，高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)最大相對(duì)幅值可能達(dá)到30%；渦帶頻率的尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的最大相對(duì)幅值曾經(jīng)達(dá)到40%。在原型水輪機(jī)中，其他小負(fù)荷區(qū)和大負(fù)荷區(qū)由尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)最大相對(duì)值很少有超過20%的。

4、異常壓力脈動(dòng)的其他重要特征

共振工況區(qū)范圍比較小，共振又使壓力脈動(dòng)幅值有很大的升幅，故共振區(qū)內(nèi)壓力脈動(dòng)幅值表現(xiàn)為“陡起陡落”的特征，這也是它最大的外在特征。

在水輪機(jī)流道橫斷面上，異常壓力脈動(dòng)都具有同步特性，這也是對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響主要表現(xiàn)在垂直振動(dòng)上的主要原因。

1、水輪機(jī)運(yùn)行偏離最優(yōu)工況是壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的基本原因

反映混流式水輪機(jī)水力穩(wěn)定性的各種壓力脈動(dòng)都有其產(chǎn)生的具體原因。但是，綜觀這些常規(guī)和異常兩種壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的工況與機(jī)理可以看出，它們都是在水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的。這就是說．偏離最優(yōu)工況運(yùn)行是混流式水輪機(jī)壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的基本原因。而在最優(yōu)工況范圍，幾乎沒有什么明顯的壓力脈動(dòng)。

2、尾水管水流的圓周速度是壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的決定性因素

從水輪機(jī)中水流的流動(dòng)來看。偏離最優(yōu)工況后，最大的變化是，轉(zhuǎn)輪中水流和轉(zhuǎn)輪出口水流產(chǎn)生了比較明顯的圓周速度分量，而且這個(gè)圓周速度分量一直延伸到尾水管中。因此可以說，圓周速度分量的出現(xiàn)和變化規(guī)律是各種壓力脈動(dòng)產(chǎn)生和變化規(guī)律的基本條件與決定性因素。常規(guī)壓力脈動(dòng)和尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的異常壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理都證明了這一點(diǎn)。這個(gè)因素和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有密切相關(guān)，也是轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)可以影響壓力脈動(dòng)的基本原因。

3、不同壓力脈動(dòng)是圓周速度產(chǎn)生壓力脈動(dòng)的方式和機(jī)理不同的結(jié)果

圓周速度分量產(chǎn)生壓力脈動(dòng)的具體方式和機(jī)理的不同，是產(chǎn)生各種不同壓力脈動(dòng)的基本原因。例如：

(1)圓周速度分量對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口的沖擊產(chǎn)生了小開度區(qū)和大開度區(qū)的壓力脈動(dòng)。

(2)圓周速度分量與軸向速度分量的共同作用，形成了螺旋形旋進(jìn)的渦帶，繼而產(chǎn)生了渦帶壓力脈動(dòng)。

(3)尾水管中的圓周速度分量與肘管相互作用產(chǎn)生了同步壓力脈動(dòng)，并成為水輪機(jī)流道水體共振最重要的激發(fā)力。

(4)圓周速度分量是尾水管中心真空、氣體空腔產(chǎn)生和變化的重要條件之一，由此而引起尾水管水、氣聯(lián)合體固有頻率的變化，為共振創(chuàng)造了一方面的基本條件。

4、空化系數(shù)是壓力脈動(dòng)最重要的影響因素

空化系數(shù)或吸出高度是壓力脈動(dòng)，特別是異常壓力脈動(dòng)最重要的影響因素。它通過改變尾水管空腔體積（因而也就是改變渦核的直徑和偏心距）來改變渦帶壓力脈動(dòng)的幅值，補(bǔ)氣消除共振的機(jī)理也在于此；它通過改變尾水管水、氣聯(lián)合體的固有頻率影響水體共振的出現(xiàn)或消失。所有尾水管水、氣聯(lián)合體共振及其產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)對(duì)空化系數(shù)十分敏感，也是由這個(gè)原因造成的。

除引起水、氣聯(lián)合體共振外，空化系數(shù)更多的影響是使聯(lián)合體的動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)發(fā)生變化。這是造成模型與原型水輪機(jī)渦帶壓力脈動(dòng)幅值不相似的主要原因之一。

氣體空腔的存在，也對(duì)尾水管壓力脈動(dòng)產(chǎn)生吸收和緩沖作用。這是尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)幅值比引水管路水體共振小得多的主要原因。